Johdanto

1

1

Kehitysbiologia ja histologia

Opettajat:

Luennot: Esa Hohtola

Harjoitukset:

Yliopisto-opettaja Henrika

Honkanen, tuntiopettajat

Luennot:

• kehitysbiologia: n. 9 kertaa

(sis. 2 omatoimikertaa)

• histologia: n. 9 kertaa

(1 omatoimikerta)

Harjoitustyöt:

• kehitysbiologia: 5 × 4 h

• histologia: 6 × 4 h

Kuulustelut:

• Luennot 2 kpl, plus

uusinnat

• Harjoitukset 1 kpl

Kurssin arvosana:

3 tentin keskiarvo

Johdanto

2

1

Verkossa

http://cc.oulu.fi/~ehohtola salasana: kbkbkb

Johdanto

3

1

Kehitysbiologia - luentorunko

Kuvaileva/anatominen/vertaileva osa

1. Johdanto - historiaa, kehitysbiologian peruskäsitteitä ja

menetelmiä

2. Gametogeneesi eli sukusolujen muodostuminen - spermato-

geneesi, oogeneesi

3. Hedelmöitys

4. Vakoutuminen - vakoutumistyypit; morula, blastula, blastokysti

5. Gastrulaatio eli alkiokerrosten muotoutuminen: sammakko,

lintu, nisäkäs

6. Organogeneesi - elinaiheiden muodostuminen, erilaistuminen ja

kasvu

Johdanto

4

1

Kehitysbiologia - luentorunko

Alkionkehityksen perustapahtumat

1. Kokeellinen embryologia

2. Induktion käsite, solujen välinen kommunikaatio (signalointi),

solujenväliset tunnistusmekanismit

3. Geeniekspressio ja sen säätely

�Kurssi painottuu selkärankaisten kehitysbiologiaan,

esimerkkieläiminä sammakko, lintu, nisäkäs

�Huom: yksilönkehityksen geneettinen 'työkalupakki’ hyvin

samankaltainen kaikilla monisoluisilla eläimillä

Johdanto

5

1 Johdanto

6

1

Kirjallisuutta:

Scott F. Gilbert

Developmental Biology, 6th Edition, Sianuer

Associates, Inc., Publishers, Sunderland,

Massachusetts, 2000 (nyt myös jo 8. painos)

Vertaileva

Sariola Hannu ym.

Solusta yksilöksi. Kehitysbiologia.

Duodecim, Helsinki 2003, 1. painos.

Esittelee lähinnä nisäkkäiden

kehitysbiologiaa.

Huom: 6. painos myös www:ssä Youtube: paljon videoita alkionkehityksestä!

Johdanto

7

1

Sanottua

• alkio on linkki genotyypistä fenotyyppiin

• alkio

• hengittää ennen kuin sillä on keuhkot

• sulattaa ravintoa ennen kuin sillä on suoli

• kierrättää verta ennen kuin sillä on sydän

• liikkuu ennen kuin sillä on lihakset

jne.

• alkio vs. kone

• kone ei toimi ennekuin se on valmis, alkio toimii jo

rakentuessaan!

Johdanto

8

1

Kehitysbiologia vs. muu biologia

• Esim. globiini-geeni � hemoglobiini

• Geneetikko: miten geeni periytyy, miten sen alleelit jakautuvat

populaatiossa (intronit/eksonit/promooottorit)

• Fysiologi: miten hemoglobiini sitoo happea, mitkä seikat

vaikuttavat hemoglobiinin määrään (geeniekspressioon): esim.

korkea ilmanala, lihasharjoitus

• Biokemisti: miten globiinin aminohappojärjestys määrää sen 3-

ulotteisen rakenteen

• Kehitysbiologi: miksi ja miten

tietty globiini-geeni (alfa/beta/gamma)

ilmentyy vain punasoluissa ja juuri

tiettyyn aikaan; esim. sikiöllä ααγγ,

aikuisella ααββ

Johdanto

9

1

Peruskäsitteitä

• embryologia - alkionkehitys

• Organogeneesi - elinten kehitys

• ontogenia - muu yksilönkehitys

ml. vanheneminen

Anatominen traditio

� vertaileva embryologia

• esim. zygootin vakoutumistyypit, varhaisten embryoiden

samankaltaisuus

� evolutionaarinen embryologia

• mm. homologian ja analogian käsite (esim. linnun ja lepakon siipi

ovat homologisia eturaajoina, ei siipinä!)

� lääketieteellinen embryologia ja teratologia

� alkion kehityksen matemaattinen mallinnus

kehitysbiologia

Johdanto

10

1

Kokeellinen embryologia/kehitysbiologia

Menetelmät

• anatomiset tekniikat

• histologiset & mikroskooppiset tekniikat

• biokemialliset menetelmät

• tumasiirrot, kudossiirrot (grafts)

• molekyyli- ja solubiologia

• geenimanipulaatiot (poistogeeniset l. knock-out mallit,

yliekspressoivat mallit jne.)

• kloonaus

Johdanto

11

1

Wnt11/ß-catenin signaling in both oocytes

and early embryos acts through LRP6-

mediated regulation of axin

Linkki sarjan sivuille

Missä tutkimukset julkaistaan?

Monissa sarjoissa oma osio

kehitysbiologialle: esim PLoSOne, PNAS

Johdanto

12

1

Tärkeitä malliorganismeja

C. elegans -”sukkulamato”

Drosophila sp. - banaanikärpänen

Echiuroidea - merisiilit

Danio rerio - seeprakala

Xenopus laevis - kynsisammakko

Triturus sp. - vesiliskot

Gallus gallus - kana

Mus musculus - hiiri

Johdanto

13

1

Kehitysbiologian peruskysymykset

Erilaistuminen

• kaikilla soluilla ± samat geenit � ihmisellä n. 300 eri solutyyppiä

� miten ekspressiota säädellään ajallisesti ja paikallisesti?

Hiiren 32-soluvaiheen solut ovat vielä totipotentteja (jokainen

solu voi muodostaa alkion)

Kaavoittuminen ja morfogeneesi

• miten erilaistuneet solut järjestyvät elimiksi (morfogeneesi)

'oikeaan' paikkaan (kaavoittuminen)

homeoottisten geenien ilmentyminen Drosophilan alkiossa

Johdanto

14

1

Kasvu

• mikä säätelee solujen jakautumista ja

kokoa (ja ohjattua kuolemista =

apoptoosi)

• määrän kasvu = hyperplasia, koon kasvu

= hypertrofia

esimerkki apoptoosista apoptoosin häiriö

Johdanto

15

1

Lisääntyminen

• miten sukusolut ”laitetaan syrjään” odottamaan lisääntymistä

(iturata) niin että mikään geeni ei ole ”lukossa” – Epigeneettinen

ohjelmointi (DNA:n ja histonien metylointi ja asetylointi)

• sukupuolen määräytyminen

Evoluutio

• mikä on yksilönkehityksessä tapahtuvien muutosten osuus

evoluutiossa (”evo-devo”)

Ympäristövaikutukset

• esim. alligaattorit: < 30 °C � naaraita, > 30 °C � koiraita,

ympäristöestrogeenit � ♂� ♀

• lue lisää

Eliniän määräytyminen, vanheneminen & seneskenssi

• Esim. miksi linnut elävät 3-6 kertaa pitempään kuin nisäkkäät?

Johdanto

16

1

Hieman historiaa

Aristoteles

• havainnoi linnun (kanan) alkion kehitystä

• elinaiheet � elimet

• koiras antaa spermassa alkiolle muodon (so. hedelmöityksen idea)

• oviparia, viviparia, ovoviviparia (Huom. Linnut ainoa

selkärankaisryhmä, jolla ei vivipariaa

1600-luku

• Harvey: ”omne vivum ex ovo”

• Graaf: Ihmisen ”munasolu ” = Graafin follikkeli

• van Leeuvenhoek: siittiö (”likoeläin”) 1670-luvulla

Johdanto

17

1

Preformaatio-oppi vs. epigeneesi

Preformaatio-oppi: sukusoluissa valmiina pieni yksilö, joka vain

kasvaa (ja sen sukusoluissa vielä pienempi jne. � enkapsulaatio)

• homunculus

• animalculus

• voimissaan 1700-luvulla

Epigeneesi: elimet ja kudokset kehittyvät solujen vuorovaikutusten

kautta yksikertaisimmista aiheista (siis preformaatio-opin

vastakohta; jo Aristoteles kannatti tätä!)

• Wolff 1767: kanan alkion verenkiertoelimet kehittyivät

kudoksista, joilla ei vastinetta aikuisilla

• 1827 von Baer: nisäkkään munasolu

• 1850 von Baer & Pander: endo- ja ektodermi

Johdanto

18

1

von Baerin patsas, Tartto, Viro

Johdanto

19

1

Haeckel ja biogeneettinen ”laki”

• Yksilön alkionkehitys toistaa kehityshistoriaa (rekapitulaatio)

• Haeckel 'stilisoi' kuvia teoriansa tueksi

Haeckel:

zygootti�'kala'�'sammakkoeläin'�'matelija'�'lintu'�'ihminen'

Johdanto

20

1

2015

Johdanto

21

1

• Eri selkärankais-ryhmien alkiot muistuttavat toisiaan kehityksen

alussa, mutta niiden kehitys erkanee nopeasti

• Mm. Darwin piti (aivan oikein) varhaisten embryoiden

samankaltaisuutta todisteena yhteisestä evolutiivisesta alkuperästä

sian alkio

nykykäsitys

kiduskaaret

Johdanto

22

1

Kokeellisen embryologian historiaa

W. Roux 1887:

• sammakon 2-soluvaiheen toisen solun tuhoaminen� normaali alkio

H. Driesch 1800-luvun loppu:

• merisiilen 2-soluvaiheen solujen irrotus � 2 alkiota

Hans Spemann, 1920-luku (Nobel 1935):

• mikrokirurgia vesiliskolla

• silmän linssin syntysilmämaljan vaikutuksesta

• hermostoputken synty alkusuolenkaton vaikutuksesta

• induktion käsite

• suomalaisten kehitysbiologien oppi-isä

Hans Spemann

(1869-1941)

Johdanto

23

1

Spemannin koe (1901), jossa hän

osoitti, että aivorakkulan

pullistumat (joista myöhemmin

erilaistuu mm. silmän

verkkokalvo) indusoivat silmän

linssin synnyn epidermistä

poistettu aviorakkulan pullistuma

linssi ei indusoidu

Johdanto

24

1

linssin aihe

verkkokalvon aihe

Johdanto

25

1 Johdanto

26

1

Induktion geneettinen

spesifisyys

Johdanto

Kehitysbiologinen tutkimus Suomessa

• Gunnar Ekman (Spemannin oppilas)

• Sulo Toivonen

• Lauri Saxén

• (Anto Leikola)

• Helsinki: Irma Thesleff, Jukka Jernvall, Juha Kere, Hannu Sariola

• Oulu: Seppo Vainio

27

1

Gunnar Ekman 1883-1937

Johdanto

28

1